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摘要：在汽车行业中，轻量化是节能减排的重要技术路径。车身轻量化相比其它性价比更高。文章探索了车身轻量化的技术路线，该技术路线通过轻量化设计、轻量化材料和轻量化工艺来实现。通过此方法的研究并在实际项目中得以应用，实现了在满足性能要求的情况下降低车身重量的目的，使车身轻量化技术水平和车身开发能力得到提升。
关键词：轻量化；设计；材料；工艺；应用
引言
随着全球汽车保有量的增加，汽车尾气排放已成为造成全球性温室效应及能源极度消耗的原因之一。各国为此制定了非常严格的燃油经济性指标，对汽车的排放提出越来越高的标准。汽车轻量化是解决节能减排的最佳途径之一。轻量化水平和工艺加工能力的进步和新材料的开发应用密切相关，汽车的轻量化也将随着节能减排和碰撞安全性的要求不断的深化发展。笔者分析了车身结构中材料轻量化的选用策略。对实现汽车节能减排具有重要的实用价值，对汽车车身的轻量化设计也具有重要的参考价值。
1现状和挑战
汽车工业是我国近年来发展最为迅速的产业之一，尤其是乘用车产业，以平均25%的增长速度迅猛发展。2011年中国的汽车产量为1850．51万辆，其中乘用车为1447．24万辆，约占汽车产量的78．2%。汽车产量和保有量的不断攀升，对推动国民经济发展起到了积极的推动作用，同时也对日益短缺的能源状况和日益恶化的环境状况产生巨大的影响和压力。为保持汽车产业可持续发展，节能减排对于汽车未来发展和产业政策导向显得尤为重要。燃油消耗的50%是由于汽车的质量引起，当整车质量减轻10%，汽车燃油消耗可降低6%～8%，排放量减少5%～6%，因此减少汽车自重无论对传统内燃机还是新能源汽车都是有效的节能减排措施。车身质量一般占整车质量的22%～25%，面对节能减排压力和客户法规有关安全和舒适越来越高要求的双重挑战，车身设计的轻量化技术已成为汽车技术发展的一大主流。自20世纪90年代以来美国开展的PNGV，ULSAB，ULSAB-AVC，FSV以及欧洲的SLC(SuperLightCar)等项目研究采用高性能与高标准材料，配以先进的设计和生产技术，来推进车辆轻量化的进程。
2车身轻量化技术路线
2.1轻量化设计
①轻量化先期架构开发。车身先期架构最早是单一车型开发，随着平台化的多车型车身架构以及与新材料新工艺相结合的多目标车身优化成为车身开发需求，形成了面向多平台、多驱动型式的车身柔性化架构开发以及基于大数据和模型的车身CAE和CAD的2C融合自动化智能化开发。综合考虑结构和布置，进行多学科拓扑优化，制定结构设计策略。在结构设计方面，应用CAE软件辅助开发，通过整车集成式优化设计手段完成减重目标。通过架构断面解耦，结合参数化模型库和制造工艺策略，搭建全参数化模型，使典型断面精益化并具有共用性，形成典型断面库。通过全面的CAE虚拟分析和多学科优化，对关键参数进行综合优化，如MDO结构材料的料厚优化和零部件集成化设计减少独立部件数量，达到减重增效之目的。（2）轻量化设计过程控制轻量化设计要结合重量、尺寸、性能、成本、配置及带宽等形成多维度评价方法。成熟的车身轻量化设计评价方法有以下几个评价维度:车身66%料厚曲线、车身轻量化系数、车身质量回归线、车身体积密度比、精益化成本以及共用化率。通过建立车身综合效率评价指标，有效地控制车身轻量化开发过程，形成轻量化设计体系。
2.2轻量化材料应用
（1）塑料件的应用。塑料件在汽车上的应用历史已达50年。塑料件早已成为汽车车身的重要组成部分，其原材料技术、成型技术早已非常成熟。为了减少喷漆工序很多塑料材料厂已开始开发带颜色的塑料件。（2）高强钢的应用。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆与普通强度钢材相比，高强钢具有更高的屈服强度和抗拉强度，因此，采用高强钢替代普通钢可以减小截面尺寸，节约钢材用量，从而减轻车身重量。早在2007年欧洲白车身会议资料显示，国外汽车高强钢已得到广泛而普遍的使用。（3）铝合金的应用铝合金是汽车车身重要的轻量化材料，其强度高且质量轻，体积质量是钢铁的1/3，耐腐蚀性优越，经久耐用，更安全。铝合金早已广泛应用于汽车发动机系统、传动系统、行走系统、轮毂等零部件。国外各知名车企也都在纷纷研究、使用铝合金来做汽车车身，但目前铝合金还仅仅只用在豪华跑车和轿车车身上。（4）碳纤维增强复合材料（CRRP）碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的体积质量不到钢的1/4。碳纤维树脂复合材料（CFRP）抗拉强度一般都在3500MPa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000MPa，也比钢的高。因此CFRP的应用也成了汽车轻量化的主要方向之一。
2.3车身轻量化的制造工艺
轻量化的设计和材料应用是通过轻量化的制造工艺实现，这些制造工艺包括激光焊接技术、胶粘技术、自冲铆接和管件液压成型技术等。这些技术的应用同时可以减小零件的搭接宽度和优化零件的几何形状，从而减少车身重量。
3轻量化技术的创新应用
3.1车身结构设计优化应用
在车身结构设计方面，采用拓扑优化、参数化快速模型及多学科参数优化等方法，对白车身进行载荷传递路径设计、优化与验证。利用辅助开发工具和评价体系，通过整车集成式的优化手段来完成减重目标，优先考虑结构优化。在项目开发过程中，采用了同一个模型中同时考虑结构、碰撞、NVH等多工况要求的优化方法，使减重结果更易于在整车开发中实施，并且通过对整车布置的不断调整，以及结构设计形式的调整，使减重方案效率更高、更有利于低成本高质量地完成减重目标。
3.2高强度钢板
钢铁是汽车工业的传统材料，多年来也在不断开发和更新钢材品种。由于强度增加可以相对减少用料，减轻车身重量的同时获得更好的碰撞性能和耐久性能。现有钢材分为普通钢、高强钢和超高强钢板。高强度钢板屈服强度一般在340～550MPa，用作结构加强件。超高强度钢板强度一般超过550MPa，主要有DP钢和MS钢(马氏体钢)。前者一般用于需要高抗拉强度，高碰撞吸能且成型较复杂的车身零件，如前舱大梁，B柱内外板等。由于MS钢强度极高，所以一般用滚压成型工艺生产，主要应用在门槛梁上。
3.3全铝前盖应用
相比传统的铁盖，采用铝制前盖能够减重5．3kg以上。在设计铝合金发动机舱盖时结合铝合金的特性，通过造型、布置和结构优化，质量效率在市场上做到了最优，并且满足行人保护等要求。铝板的成型性和包边性能较钢板都要差，存在烘烤变形的问题。通过材料和设计解决了成型性和包边开裂等问题，同时引入了烘烤变形流程，使变形量控制在一个很小的范围。
结语
综上所述，目前还在不断开发新型的汽车车身轻量化材料，如镁合金已经在汽车零部件得到了很好的应用，将来势必也会用在车身上等。涂装技术也应顺势而为，开发出适应不断出现的新材料的涂装材料和工艺技术。同时适用于多种轻量化底材的车身涂料及其大规模连续生产的涂装工艺还不成熟，还需要继续不断的探索和研究。
参考文献
［1］靳福来．汽车轻量化技术现状［J］．汽车技术，1995(9):56-58．
［2］沈建东，王镝．车身轻量化技术策略的研究和应用［J］．上海汽车，2012(6):42-47．
［3］陈东平，沈建东，王镝．基于平台带宽的车身效率综合评价［J］．汽车工程学报，2012，2(6):452-457．
论文作者:郭龙梅1,索兆祥2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第35期
论文发表时间:2019/3/25
标签：车身论文; 轻量化论文; 汽车论文; 技术论文; 材料论文; 铝合金论文; 质量论文; 《基层建设》2018年第35期论文;